天然气核磁共振测井技术的探讨与应用前景

2010-03-24 08:13李强陈子亮
时代农机 2010年7期
关键词:谱分析饱和度测井

李强,陈子亮

(中国地质大学(武汉)工程学院,湖北 武汉 430074)

1 核磁共振测井发展

现代NMR测井的发展可以追溯到1978年在Los Alamos国家实验室开展的NMR井眼测井研究项目。该项目的部分目标是制造和测试一种在井眼中使用的NMR测井仪,它能克服NML仪的局限性。Los Alamos试验仪器使用的是强永久磁铁,正如那些在现代实验室的NMR仪器一样,进行了脉冲NMR自旋回波测量。这些测量结果极其灵活,可适用于许多不同的地层评价。Los Alamos实验室仪器证明了NMR测井的可行性,但由于其信噪比(S/N)太低,而且磁铁和射频(RF)线圈的设计产生很大的井眼信号而无法满足商用需求。可行性论证后不久,1983年成立的Numar公司和斯伦贝谢公司开始了独立的研究,试图设计NMR磁铁和RF天线,从而满足商用NMR测井需求。

2 核磁共振测井原理

2.1 核磁共振测井应用基本原理

核磁共振(NMR)具有信息丰富、测量信号不受固体骨架的影响、观测范围具有可选性等特点。是将所采集到储层岩心样品置入一个静磁场及一个振荡磁场中,当具有一定孔隙度、渗透率及含油饱和度(或含水饱和度)的岩心中的油或水中的氢原子核被激发后吸收能量,满足共振条件时,产生核磁共振现象。

总体来说核磁共振是磁场中的原子核对电磁波的一种响应[2],处于热平衡的自旋系统,在外磁场的作用下磁化矢量偏离静磁场方向,外磁场作用完后,磁化矢量试图从非平衡状态恢复到平衡状态,恢复到平衡态的过程叫做驰豫。核磁共振NMR信号的驰豫时间与氢核所处的周围环境密切相关,水的纵向恢复时间比烃快得多。根据核磁共振特性间的差异指示含氢密度的高低来识别油气层。

2.2 核磁共振测井参数测量原理与方法

(1)T2截止值的选取。核磁共振测井可以精确计算许多地质参数,主要包括地层总孔隙度、有效孔隙度、粘土束缚水饱和度、毛管束缚水饱和度、中值孔喉半径、含水饱和度、含油饱和度、储层绝对渗透率等参数。在此我们主要对孔隙度对应的相关参数进行计算研究。利用T2谱分析计算储层束缚水孔隙度和可动流体孔隙度时,准确的T2截止值是正确计算这些参数的前提。T2截止值的确定主要通过实验室获得,不同岩性和孔隙结构的岩石数值不同。在砂泥岩地层,T2截止值一般为33,在碳酸盐岩地层为98。一般在不同的研究区域,进行岩心实验测量,可以较为准确的确定T2截止值参数。确定T2的常用方法是,对离心前后的T2谱分别作累积线,从离心后的T2谱累积线最大值处作X轴平行线,与离心前的T2谱累积线相交,由交点引垂线到X轴,其对应的值为T2,如图1所示。

图1 T2截止值求取方法示意图

(2)储层孔隙度计算模型。核磁共振测井详细描述了岩石中各类孔隙特性,可以较为准确地计算各类孔隙度,测量结果直接反映了地层的孔隙情况。对饱和岩样测得的T谱,用标准样品进行刻度,将核磁信号强度转换成孔隙度,转换公式如下:

式中:φnmr—样品核磁孔隙度值(百分单位);M—标准样品T2谱的总幅度;V—标准样品总含水量(水的体积cm);S、G—分别为标准样品在NMR数据采集时的累积次数和接受增益;Mi—样品第i个T2分量的核磁共振T2谱幅度;V—样品的体积(以cm为单位);s、g—分别为样品核磁共振数据采集时的累积次数和接受增益。

利用上述方法进行T2谱的刻度后,就可以进行各种孔隙度的计算。在孔隙度的计算中,首先要确定T2谱分布与孔隙度对应的相关参数,然后对T2谱进行面积积分来确定储层的各类孔隙度。这里我们主要对毛管束缚流体孔隙度和可动流体孔隙度进行计算,其确定方法如下:

3 核磁共振测井气层识别

用核磁共振识别天然气主要用密度孔隙度与核磁共振总孔隙度(DPHI—TCMR)重叠法、差谱分析法和移谱分析法。

3.1 重叠法

应用传统的信号处理解释技术,计算密度孔隙度和核磁共振孔隙度,两条曲线重叠后,其间较大的幅度差为气层的标志。该方法比应用中子—密度孔隙度交会识别气层更加明显。这是因为中子测井易受泥质的影响,而TCMR测量的只是岩石孔隙中流体的含氢指数。

3.2 差谱分析法

是利用水和天然气的纵向驰豫时间T1相差较大这一特点来进行流体性质判别,水的纵向驰豫时间T1远小于天然气的纵向驰豫时间,所以水的恢复速率远快于天然气的恢复速率。根据这一特点,利用长、短两种不同等待时间的CPM G脉冲序列进行两次测量,在短等待时间情况下,水得到完全恢复,而天然气只有部分得到恢复;在长等待时间情况下,水和天然气均得到了完全恢复。所以求出长、短等待时间下的两个回波波列的差,即可消除水的信号,突出天然气的信号,从而达到识别天然气的目的。

3.3 移谱分析法

利用静态梯度磁场中流体扩散特性对横向驰豫时间T2的影响来探测天然气的。通常情况下,气的扩散作用比油、水都强。根据不同流体扩散系数不同,在两个CPMG脉冲序列中使用两个不同的回波间隔TEL、TES和一个长TW进行测量,扩散效应使TE的T2谱向减小的方向移动;天然气有最大的扩散系数D,T2分布谱减小的最厉害;水的扩散系数D比天然气小得多,T2谱分布减小的程度也要小得多。对比其T2分布减小的程度,即可进行移谱分析。从而达到识别天然气的目的。

4 核磁共振测井的应用前景

如今随着测井新技术的飞速发展,核磁共振测井信息在天然气的勘探、开发中的应用领域也日益扩大,它不仅可以对各种复杂气储集层进行精确评价,而且也逐步应用于沉积环境、构造形态、古今构造应力等方面的研究,由此推动了储集层横向预测、油气藏描述、储集层改造、优化钻井设计等领域中测井技术应用的广阔前景。

[1]孙逊,赵文杰.核磁共振(NMR)测井的进展[J].测井与射孔,2007,(1).

[2]肖立志.核磁共振成像测井与岩石核磁共振及其应用[M].北京:科学出版社,1998.

[3]邱广军.核磁共振成像测井应用[J].内江科技,2010,(1):78.

[4]崔秀芝,秦菲莉,袁恩祥,等.应用核磁共振测井资料评价气层[J].内蒙古石油化工,2005,(12):115.

[5]杜尚明,胡光灿,李景明,等.天然气资源勘探[M].北京:石油工业出版社,2004.

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